快速制造適形化柔性功能電子器件的液態(tài)金屬相變轉(zhuǎn)印方法

近日，由中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員劉靜及助理研究員王倩帶領(lǐng)的理化所、清華大學(xué)聯(lián)合小組，首次提出一種液態(tài)金屬液固相變轉(zhuǎn)印方法，可用于快速制造易于貼合到任意復(fù)雜形狀表面的柔性功能電子器件。相應(yīng)研究成果在線發(fā)表于《先進(jìn)材 料》(Advanced Materials，2015， DOI:10．1002/adma．201502200)，并被選為背封面文章。

眾所周知，隨著現(xiàn)代電子工業(yè)與消費(fèi)電子市場(chǎng)的快速發(fā)展，柔性電子已成為極為重要的科學(xué)前沿。其中，集導(dǎo)電性與流動(dòng)性于一體的液態(tài)金屬材料在這一領(lǐng)域的地位日趨凸顯。然而，由于液態(tài)金屬表面張力通常較高，其對(duì)常見(jiàn)的生物相容性柔性基底如PDMS等的潤(rùn)濕性較弱，因而采用傳統(tǒng)的直寫(xiě)、打印以及掩模噴印、涂抹等方式尚難實(shí)現(xiàn)精細(xì)、復(fù)雜且附著穩(wěn)定的電路;而若采用模板刻蝕槽道，則會(huì)因模板分離時(shí)槽道承載力的變化，造成柔性基底收縮變形繼而引發(fā)精細(xì)結(jié)構(gòu)的破損。由于這些因素，直接利用液態(tài)金屬制備各種高柔性電路仍面臨繁瑣、耗時(shí)、穩(wěn)定性低等挑戰(zhàn)，尚不易快速獲得實(shí)用化柔性功能器件。

為突破以往存在的技術(shù)瓶頸，該項(xiàng)研究建立了基于低溫相變轉(zhuǎn)印的液態(tài)金屬柔性功能電路快速制造方法。其原理在于:首先利用液態(tài)金屬打印機(jī)在PVC膜表面打印出液態(tài)金屬電路;之后，在此電路上進(jìn)一步覆蓋PDMS溶液并加以固化;如需要，在PDMS尚處液態(tài)時(shí)，可在其上浸沒(méi)入任意形狀的待貼附目標(biāo)物體;最后，對(duì)整個(gè)對(duì)象加以降溫，以使液態(tài)金屬轉(zhuǎn)為固體，由此即可輕易地將最初的液態(tài)金屬電路完整快捷地轉(zhuǎn)印到PDMS柔性基底上。這一過(guò)程中，當(dāng) PDMS固化后，揭下 PVC膜及目標(biāo)物體后，即形成內(nèi)嵌有液態(tài)金屬柔性電路的PDMS器件，此時(shí)在相應(yīng)管腳貼上相應(yīng)IC元件并加以編程調(diào)試，即制成功能電子器件。由于PDMS基底形狀可完全與使用對(duì)象貼合，由此即達(dá)到電子器件的高度適形化制造。該技術(shù)在醫(yī)療健康、家居、環(huán)境等應(yīng)用場(chǎng)合的傳感監(jiān)測(cè)方面有重要意義，相應(yīng)器件易于貼合到諸如膝蓋、腳腕、手掌、面頰、頭部、耳廓以及更多復(fù)雜形狀表面執(zhí)行特定功能。研究還通過(guò)對(duì)“PVC-液態(tài)金屬-PDMS”界面微觀結(jié)構(gòu)的刻畫(huà)、受力測(cè)試與仿真驗(yàn)證，揭示了相應(yīng)的轉(zhuǎn)印分離機(jī)理。

為展示新技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)，作者們還特別設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了幾類(lèi)完整的可編程柔性電路，并證實(shí)其在彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉伸等往復(fù)形變下均能保持高性能和可靠性。進(jìn)一步地，結(jié)合手機(jī)生理檢測(cè)平臺(tái)與集成電路芯片，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了微型柔性紅外溫度采集模塊，可通過(guò)藍(lán)牙將采集到的信號(hào)以無(wú)線方式發(fā)送至手機(jī)予以實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)，而同時(shí)這些器件則可以適形化方式貼合于身體表面。

相較于傳統(tǒng)的硬質(zhì)電路，柔性電子具有重量輕、韌性好以及可承受一定形變等優(yōu)勢(shì)，這使其應(yīng)用范圍更為寬廣?；谙嘧冝D(zhuǎn)印原理的液態(tài)金屬柔性電路加工方法突破了傳統(tǒng)工藝的局限性，更加簡(jiǎn)便、快捷、穩(wěn)定，并與現(xiàn)有集成電路技術(shù)較為兼容。除了能以高質(zhì)量快速加工出用以滿足可穿戴設(shè)備、皮膚電子、醫(yī)學(xué)植入、柔性顯示、太陽(yáng)能電池板等諸多前沿需求外，新方法的重要意義還在于，隨著液態(tài)金屬打印技術(shù)的普及，人們將有望隨心所欲地在任意物體表面實(shí)現(xiàn)各類(lèi)柔性功能器件的定制化快速開(kāi)發(fā)，這會(huì)顯著擴(kuò)展傳統(tǒng)電子工程學(xué)的技術(shù)范疇，繼而推動(dòng)個(gè)性化柔性電子應(yīng)用向前快速發(fā)展。